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INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇOCAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHONOTAS DE AULA 12 AMPLIFICADORES OPERACIONAISAMPLIFICADORES OPERACIONAISestá licenciado sob CC BY-NC-ND 4.0© 1 por PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD
Amplificador operacional não inversor
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Na configuração do amplificador operacional não inversor, o sinal de tensão de entrada, ( V IN ) é aplicado diretamente ao terminal de entrada não inversor ( + ), o que significa que o ganho de saída do amplificador se torna “Positivo” em valor, em contraste com o circuito “Amplificador Inversor” que vimos no último tutorial, cujo ganho de saída é negativo em valor. O resultado disso é que o sinal de saída está “em fase” com o sinal de entrada.
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD O controle de feedback do amplificador operacional não inversor é obtido aplicando uma pequena parte do sinal de tensão de saída de volta ao terminal de entrada inversor ( – ) por meio de uma rede divisora de tensão Rƒ – R2 , produzindo novamente feedback negativo. Esta configuração de malha fechada produz um circuito amplificador não inversor com estabilidade muito boa, uma impedância de entrada muito alta, Rin se aproximando do infinito, pois nenhuma corrente flui para o terminal de entrada positivo (condições ideais) e uma baixa impedância de saída, Rout conforme mostrado abaixo.
Configuração do amplificador operacional não inversor
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Anteriormente eu discorri sobre o Amplificador Inversor, que para um op-amp ideal “Nenhuma corrente flui para o terminal de entrada” do amplificador e que “V1 sempre é igual a V2” . Isso ocorreu porque a junção do sinal de entrada e feedback ( V1 ) estão no mesmo potencial. Em outras palavras, a junção é um ponto de soma de “terra virtual”. Por causa desse nó de terra virtual, os resistores, Rƒ e R2 formam uma rede divisora de potencial simples através do amplificador não inversor com o ganho de tensão do circuito sendo determinado pelas razões de R2 e Rƒ, conforme mostrado abaixo.
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Usando a fórmula para calcular a tensão de saída de uma rede divisora de potencial, podemos calcular o ganho de tensão em malha fechada ( A V ) do amplificador não inversor da seguinte forma:
Então o ganho de tensão em malha fechada de um amplificador operacional não inversor será dado como:
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Podemos ver pela equação acima que o ganho geral de malha fechada de um amplificador não inversor será sempre maior, mas nunca menor que um (unidade), é positivo por natureza e é determinado pela razão dos valores de Rƒ e R2. Se o valor do resistor de feedback Rƒ for zero, o ganho do amplificador será exatamente igual a um (unidade). Se o resistor R2 for zero, o ganho se aproximará do infinito, mas na prática será limitado ao ganho diferencial de malha aberta do amplificador operacional, ( A O ). Podemos facilmente converter uma configuração de amplificador operacional inversor em uma configuração de amplificador não inversor simplesmente alterando as conexões de entrada, conforme mostrado.
Seguidor de tensão (buffer de ganho unitário)
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Se fizéssemos o resistor de feedback, Rƒ igual a zero, (Rƒ=0), e o resistor R2 igual ao infinito, (R2=∞), então o circuito resultante teria um ganho fixo de “1” (unidade) já que toda a tensão de saída é realimentada para o terminal de entrada inversor (feedback negativo). Esta configuração produziria um tipo especial de circuito amplificador não inversor chamado ''Voltage Follower'', também conhecido como “buffer de ganho unitário”. Como o sinal de entrada é conectado diretamente à entrada não inversora do amplificador, o sinal de saída não é invertido, resultando na tensão de saída sendo igual à tensão de entrada, portanto Vout = Vin . Isso torna o circuito seguidor de tensão ideal como uma fonte de tensão constante ou regulador de tensão devido às suas propriedades de isolamento de entrada para saída.
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD A vantagem da configuração do seguidor de tensão de ganho unitário é que ele pode ser usado quando a correspondência de impedância ou o isolamento do circuito é mais importante do que a amplificação de tensão ou corrente, pois mantém a tensão do sinal de entrada em seu terminal de saída. Além disso, a impedância de entrada do circuito seguidor de tensão é extremamente alta, normalmente acima de 1 MΩ, pois é igual à resistência de entrada do amplificador operacional vezes seu ganho ( Rin.AO ). A impedância de saída do amplificador operacional é muito baixa, pois uma condição ideal de amplificador operacional é assumida, portanto, não é afetada por mudanças na carga.
Seguidor de tensão de amplificador operacional não inversor
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Nesta configuração de circuito não inversor, a impedância de entrada Rin aumentou para o infinito e a impedância de feedback Rƒ foi reduzida para zero. A saída é conectada diretamente de volta à entrada inversora negativa, então o feedback é 100% e Vin é exatamente igual a Vout, dando a ela um ganho fixo de 1 ou unidade. Como a tensão de entrada Vin é aplicada à entrada não inversora, o ganho de tensão do amplificador é, portanto, dado como:
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD Como nenhuma corrente flui para o terminal de entrada não inversor, a impedância de entrada é infinita (condições ideais), então nenhuma corrente fluirá pelo loop de feedback. Assim, qualquer valor de resistência pode ser colocado no loop de feedback sem afetar as características do circuito, pois nenhuma corrente flui por ele, então há queda de tensão zero nele, resultando em perda de potência zero. Como a impedância de entrada é extremamente alta, o buffer de ganho unitário (seguidor de tensão) pode ser usado para fornecer um grande ganho de potência, pois a potência extra vem dos trilhos de alimentação dos amplificadores operacionais e através da saída dos amplificadores operacionais para a carga e não diretamente da entrada. No entanto, na maioria dos circuitos de buffer de ganho unitário real, há correntes de fuga e capacitâncias parasitas presentes, portanto, um resistor de baixo valor (tipicamente 1kΩ) é necessário no loop de feedback para ajudar a reduzir os efeitos dessas correntes de fuga, fornecendo estabilidade, especialmente se o amplificador operacional for do tipo de feedback de corrente.
CCBYNCND4.0©ANGELOLEITHOLD O seguidor de tensão ou buffer de ganho unitário é um tipo especial e muito útil de circuito amplificador não inversor que é comumente usado em eletrônica para isolar circuitos uns dos outros, especialmente em filtros ativos de estado variável de alta ordem ou tipo Sallen-Key para separar um estágio de filtro do outro. Os ICs de buffer digital típicos disponíveis são o buffer 74LS125 Quad de 3 estados ou o buffer 74LS244 Octal mais comum. O ganho de tensão de malha fechada de um circuito seguidor de tensão é “1” ou Unity . O ganho de tensão de malha aberta de um amplificador operacional sem feedback é Infinite . Então, selecionando cuidadosamente os componentes de feedback, podemos controlar a quantidade de ganho produzida por um amplificador operacional não inversor em qualquer lugar de um a infinito.
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